桩基地埋管传热特性的数值模拟研究

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1、学校代码：10255学号：2131317DONGHUAUNIVERSITY硕士学位论文桩基地埋管传热特性的数值模拟研究StudyonNumericalSimulationofHeatTransferCharacteristicsofBuriedPileBase专业:建筑与土木工程作者：姚明健导师：赵敬德副教授叶大法高工2015年5月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品

2、及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日摘要桩基地埋管传热特性的数值模拟研究摘要桩基螺旋埋管换热器作为地源热泵系统一种新的地下埋管换热类型，它不仅具有传统地源热泵系统的诸多优点，而且还大大缓解了土壤源热泵系统由于钻孔多而造成的初投资过高、占地面积较大等问题。所以，掌握桩基螺旋埋管换热器的换热性能，得到土壤源热泵系统的设计参数就具有重要意义。到目前为止，桩基螺旋埋管的换热性能以及设计参数还十分缺少。而作为能够较直观的反映土壤的热物性和埋管的换热性能的地下埋管换热器周围土壤温

3、度场的研究主要还是集中在理论阶段，没有相关的实验验证，并且对桩基地埋管热泵系统运行时土壤温度场的模拟不是很多，这就使得研究成果的应用在一定程度上受到了限制。在此背景下，本文建立桩基螺旋埋管换热器的三维数值分析模型，并验证了模型的正确性。分析了在不同的进口温度、不同的进口流速，不同的土壤热物性、不同的桩基混凝土热物性、不同的系统运行时间边界条件下，对螺旋型管热作用半径影响的探究。运行一个月后，310K的进口温度作用下的热作用半径为2.05m；同样地，运行一个月后，1.2m/s的进口流速作用下的热作用半径为2.3m。运行十个小时后，对于土壤热扩散率较大的热

4、作用半径为1.36m，而土壤热扩散率较小的热作用半径为1m；同样地对于热扩散率较大的混凝土热作用半径为1.52m，而混凝土热扩散率较小的为1.14m，得出进口温度和进口I东华大学硕士学位论文流速对桩基地埋管的换热性能影响较小，而土壤热物性和混凝土热物性对桩基地埋管的换热性能影响较大。进口流速一般可以控制在0.3m/s0.7m/s之间。桩基地埋管更适合在土壤热扩散率更大的地区，同时应该选择热扩散率较大的混凝土。另外对比了分析相变回填材料和桩基混凝土回填材料两者的传热特性。模拟运行十个小时，对比分析了水平温度场的温度分布，得出桩基混凝土回填井温度分布梯度较

5、相变材料回填井温度梯度大，热作用半径也更大。相同的工况下使用相变材料后的热作用半径仅为桩基混凝土热作用半径的54%。可见，使用相变材料回填能够减少土壤热扰动半径。若采用相变材料回填，从而可以在工程上缩小钻井间距，减少土壤使用面积。关键词：桩埋管；数值模拟；相变材料；热作用半径IIABSTRACTNUMERICALSIMULATIONOFHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFAPILEBASEPIPEABSTRACTPilespiralheatexchangerasagroundsourceheatpumpsystem,anewtyp

6、eofundergroundheatexchanger,itnotonlyhastheadvantagesoftraditionalgroundsourceheatpumpsystem,butalsogreatlyeasedthegroundsourceheatpumpsystemsduetothedrillingandmoreduetothe[1]highinitialinvestment,itcoversanarealargerproblems.So,itisimportanttomasterthepilespiralheatexchangerhe

7、attransferperformancetogivegroundsourceheatpumpsystemdesignedparameters。Sofar,pilespiralpipeheatexchangerperformanceanddesignparametersarealsoverylack.Asthestudyofthesoilthermalpropertiesandheattransferperformancethatreflecttheburiedundergroundheatexchangersoiltemperaturefieldma

8、inlyconcentratesinthetheoreticalstage,norelevan